ỦY BÂN NHÂN DÂN TP THỦ ĐỨC TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ ĐÔNG SÀI GÒN GIÁO TRÌNH Tên mô đun: Điều khiển điện khí nén NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số:. của Hiệu trưởng Trường trung cấp nghề Đông Sài Gòn) TP Thủ Đức, năm 2023 (Lưu hanh nội bộ) 1 BÀI 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN I. KHÁI NIỆM CHUNG 1. Lịch sử phát triển Trong thế kỷ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được phát minh như: thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835) của Josef Ritter (Austria), phanh bằng khí nén (1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861).
Trong lĩnh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thụy Sĩ (1857) lần đầu tiên người ta sử dụng khí nén với công suất lớn. Vào những năm 70 của thế kỷ 19 xuất hiện ở Paris một trung tâm sử dụng năng lượng khí nén với công suất 7350KW. Khí nén được vận chuyển tới nơi tiêu thụ trong đường ống với đường kính 500mm với chiều dài nhiều km. Tại đó khí nén được nung nóng lên nhiệt độ từ 50oC đến 150oC để tăng công suất truyền động động cơ, các thiết bị búa hơi… Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng khí nén ngày càng giảm dần.
Tuy nhiên việc sử dụng khí nén vẫn đóng vai trò cốt yếu trong những lĩnh vực mà khi sử dụng năng lượng điện sẽ nguy hiểm; sử dụng năng lượng khí nén ở những dụng cụ nhỏ nhưng truyền động với vận tốc lớn, sử dụng khí nén ở các thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh … và nhiều nhất là những dụng cụ đồ gá kẹp chặt trong các máy. Sau chiến tranh thế giới thứ hai, nhất là vào những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 này là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hóa quá trình sản xuất; kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chỉ riêng ở Cộng Hòa Liên Bang Đức đã có 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử bằng khí nén. Ứng dụng của khí nén: Hệ thống cửa xe buýt Nâng, hạ các chi tiết Dập, cắt, tạo hình các chi tiết Đóng gói, bao bì Chuyển giao vật liệu (gắp & đặt) Các thiết bị phun sơn, Các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo Lĩnh vực các thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao.
Các dây chuyền rửa tự động; Trong các thiết bị vận chuyển, phân loại, sắp xếp các chi tiết Kiểm tra trong các thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, Trong công nghiệp hóa chất. Các dụng cụ, thiết bị máy va đập. 2 Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác, như khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng như xây dựng hầm mỏ, đường hầm… Những dụng cụ vặn vít từ M1 đến M300 : Máy khoan, công suất khoảng 3,5KW; máy mài, công suất khoảng 2,5kW cũng như những máy mài có công suất nhỏ, nhưng với số vòng quay cao 100.000vòng/phút thì khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng khí nén là phù hợp. Các loại máy gia công gỗ, Trong các thiết bị làm lạnh, Hệ thống phanh hãm của ô tô.
Trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Ưu và nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén. Ưu điểm: Không khí luôn có sẵn Lưu trữ được Dễ dàng mở rộng hệ thống với chi phí thấp Tốc độ cao, có thể điều chỉnh được và phương chuyển động có thể thẳng hoặc tròn) Độ tin cậy cao vì các thiết bị khí nén có tuổi thọ dài Không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao, bụi bẩn và môi trường hóa chất. An toàn đối với quá tải, chống cháy nổ Bảo trì dễ dàng 3.
Nhược điểm: - Khí nén cần phải được xử lý - Ô nhiễm tiếng ồn - Lực truyền tải thấp - Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi, khó điều chỉnh chính xác - Công suất nhỏ II. ĐẶC TÍNH CỦA KHÍ NÉN. Không khí gồm: 78 % nitrogen 21 % oxygen 1% các loại khí khác (C02, H2, Argon, Krypton, Xenon, Helium) Khối lượng riêng ở 0oC: 1,293 kg/cm3 Nhiệt độ hóa lỏng: - 192oC Trong không khí có hơi nước, lượng nước nhiều hay ít do nhiệt độ môi trường cao hay thấp. Vì vậy trước khi đưa vào sử dụng chúng phải được xử lý trước.
CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN Đơn vị thường Liên hệ giữa Đại lượng vật lý Ký hiệu Đơn vị SI sử dụng trong các đại lượng khí nén Khối lượng m Kilogam (kg) Kg, g, mg Thời gian t Giấy (s) h, ph, s o o Nhiệt độ T Kelvin ( K) C Chiều dài l Mét (m) mm, m Diện tích S Mét vuông (m ) m2 , mm2 2 Thể tích V V=S.l Mét khối (m3) m3 , mm3 Vận tốc v v=l/t Mét/ giây (m/s) m/s, km/h Gia tốc a a=v/t Mét/ giây bình g = 9,81 m/s2 phương (m/s2) Lực tác dụng F F=P.S Jun (J) J Công suất P P=A/t Watt (W) kW, Hp Áp suất P P=F/S Pascal (Pa) Bar, Pa, Psi Lưu lượng Q Q = V / t = v. S Mét khối/giây lít/phút (m3/s) Cường độ dòng I Ampere (A) A điện Điện áp U Volt (V) V 1. Áp suất Áp suất được xác định bởi lực tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt vật. Đơn vị đo áp suất Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal 1 Pascal là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N) Các đơn vị đo áp suất không khí theo ISO: Pa KPa N/m² KN/m² Các đơn vị thường dùng: Kg/cm² Bar Đơn vị tính áp suất: KN/m , KPa, Bar, Kg/cm và Psi (Pound per square inch lbf/in2) 2 2 Quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất: 1 at = 760 mmHg = 1 bar =100 kPa = 100 kN/m2 = 14.5 psi 1 kgf/cm2 = 14,5 psi Ví dụ 1: Đổi các đơn vị đo áp suất sau.
A: 1 kN/m2 = 1000 N/m2 B: 1 kPa = 1000 Pa 4 C : 80 N/ m2 = 0.5 kPa = 2500 Pa Ví dụ 2: Áp suất 1 bar tương đương với.1 kg/cm2 B: 1 kg/cm2 C : 10 kg/cm2 D : 100 kg/cm2 Phân loại áp suất a. Áp suất khí quyển Là áp suất không khí tại mực nước biển Nhà bác học người Ý (Tô-ri-xe-li) là người đầu tiên đo được độ lớn của áp suất khí quyển = 1,013 bar tại mực nước biển, ở 0oC vả ở vĩ tuyến 45 độ. Áp suất tuyệt đối Là áp suất so với môi trường chân không tuyệt đối Áp suất (Pck = 0). tương đối Áp suất c.
Áp suất tương đối (áp suất dư) tuyệt Là hiệu áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển. Giá Áp suất trị áp suất do áp kế hiển thị là áp suất tương đối. khí Chân không tuyệt đối Pck = 0 Hình 1. Quan hệ giữa áp suất, lực và diện tích 2.
Công thức tính áp suất F P= A Trong đó: P : áp suất A : diện tích bề mặt vật F : lực tác động Các đơn vị tính áp suất, lực và diện tích. 5 Áp suất Lực Diện tích Psi Lb In2 Kg/cm2 Kg cm2 Pa N m2 Kpa KN m2 N/m2 N m2 KN/m2 KN m2 Ví dụ 1: Một lực 7000N tác động lên một diện tích 0. Tìm áp suất đổi ra KPa.000 N/m2 = 700 KN/m2 = 7 bar = 700 KPa Ví dụ 2: Một áp suất 5bar tác động lên một diện tích 1cm2. Xác định lực tác động.
5 bar = 5 kg/cm2 => F = P x A = 5 x 1 = 5kgf 2. Tính toán lực tác động trên xilanh. Lực đẩy pít tông: Fđ = P x A (1-2) Lực kéo pít tông: Fk = P x (A – a) (1-3) Trong đó P : Áp suất Hình 1. Xy lanh tác động kép A : Diện tích bề mặt pít tông a : Diện tích bề mặt cần pít tông Ví dụ 3: Tính lực đẩy và lực kéo của pít tông với A = 10cm2 a = 2cm2 các thông số Lực đẩy Fđ = P x A = 6 x 10 = 60 kgf 6 bar Lực kéo Hình 1.
3 Fk = P x (A – a) = 6 x (10 – 2 ) = 48 kg Ví dụ 4: Tính toán lực đẩy và lực kéo cực đại của pít tông với các thông số cho như hình 1.4 với d1, d2 là đường kính pít tông và cần pít tông.6 cm2 Lực đẩy cực đại Fđ = P x A = 6 x 78. 4 Lực kéo cực đại 6 bar Fk = P x (A – a) = 6 x (78. Lưu lượng Lưu lượng là vận tốc dòng chảy của lưu chất qua một tiết diện dòng chảy. Đơn vị thường dùng là m3/s hay l/min.
A (1-4) 2 Trong đó: A: Tiết diện của dòng chảy (m ) v : Vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s, m/min) Q: Lưu lượng (m3/s) Phương trình dòng chảy Q1 = Q2 A1. v2 Vì A1 > A2 Nên v2 > v1 Kết luận: Nếu tiết diện mặt cắt giảm thì vận tốc, áp suất tại điểm đó tăng Ứng dụng của phương trình này là ống Venturi (đặt tên theo họ một nhà vật lý người Ý Giovanni Battista Venturi) và sự bù dòng trong các thiết bị điều chỉnh áp suất. Ống Venturi đã được sử dụng trong hơn 100 năm để đo lưu lượng chất lỏng. Trong nông nghiệp ống Venturi được sử dụng để tưới nước, trộn phân bón…Trong thủy sản, ống Venturi đưa ozone vào môi trường nước để diệt khuẩn, sục oxy vào bể nuôi tôm, cá, xử lý nước thải…Trong công nghiệp, ống Venturi dùng để gom bụi, lọc bụi, phun sơn, lọc khí, xử lý nước thải… a) b) c) a) Nguyên lý ống Venturi đo lưu lượng c) Ống Venturi dùng trong việc b) Đồng hồ đo lưu lượng theo nguyên lý ống Venturi tưới nước, tưới phân cho cây Hình 1.
Một số hình ảnh về ứng dụng của ống Venturi 7 IV. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN. Định luật Boyle – Mariotte: Nhiệt độ khí nén không thay đổi (T: hằng số), áp suất tuyệt đối của khí nén tỉ lệ nghịch với thể tích khí nén.